Инженер-химик из Калифорнийского технологического института, который обычно разрабатывает новые способы изготовления микропроцессоров для компьютеров, выяснил, как объяснить загадочную тайну в космосе: почему кометы выделяют кислород.
Открытие, что кометы производят кислородный газ (молекулярный кислород или O2), было объявлено в 2015 году исследователями, изучающими комету 67P/Чурюмова-Герасименко. Миссия неожиданно обнаружила обильные уровни молекулярного кислорода в атмосфере кометы. Молекулярный кислород в космосе очень неустойчив, поскольку предпочитает соединяться с водородом или углеродом. Действительно, O2 был обнаружен в космосе только дважды в звездообразующих туманностях.
Ученые предположили, что молекулярный кислород на комете 67P оттаял после того, как был заморожен внутри кометы в начале формирования Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад. Но вопросы остаются, потому что некоторые ученые заявляют, что кислород должен был реагировать с другими химическими веществами в течение всего этого времени.
Профессор химического машиностроения в Калифорнийском технологическом институте Константинос П. Джиапис начал смотреть на данные «Rosetta», потому что химические реакции, происходящие на поверхности кометы, были похожи на те, которые он выполнял в лаборатории последние 20 лет. Джиапис изучает химические реакции, связанные с высокоскоростными заряженными атомами или ионами, сталкивающимися с поверхностями полупроводников, в качестве средства для создания быстрых компьютерных микросхем и цифровых запоминающих устройств для компьютеров и телефонов.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, Джиапис и его соавтор докторант Юнкси Яо демонстрируют в лабораторных условиях, как комета могла производить кислород. В основном молекулы водяного пара вытекают из кометы, когда космическое тело нагревается Солнцем. Молекулы воды ионизируются ультрафиолетовым излучением от Солнца, а затем солнечный ветер посылает молекулы ионизированной воды обратно к комете. Когда молекулы воды попадают на поверхность кометы, которая содержит кислород, связанный в таких материалах, как ржавчина и песок, молекулы собирают с этих поверхностей еще один атом кислорода, и образуется O2.
Другими словами, новое исследование подразумевает, что молекулярный кислород, обнаруженный «Rosetta», не обязательно должен быть первоначальным, а может производится на комете в реальном времени. «Мы экспериментально показали, что возможно динамическое образование молекулярного кислорода на поверхности материалов, подобных найденным на кометах», – говорит Яо.
«Мы не знали, когда строили наши лабораторные установки, что они в итоге будут применяться в астрофизике комет. Этот оригинальный химический механизм основан на редко рассматриваемом классе реакций Элей-Риде, которые происходят, когда быстрые молекулы, в данном случае вода, сталкиваются с поверхностями и вырывают атомы, находящиеся там, формируя новые молекулы», – говорит Константинос П. Джиапис.
Другие астрофизические тела, такие как планеты за пределами Солнечной системы, также могут производить молекулярный кислород с похожим «абиотическим» механизмом. Это повлияет на то, как астрономы в дальнейшем будут искать признаки жизни на экзопланетах.
«Кислород – важная молекула, которая почти неуловима в межзвездном пространстве. Механизм, изученный в лаборатории профессора Джиаписа, может работать в различных условиях и показывает важную связь между лабораторными исследованиями и астрохимией», – говорит астроном Пол Голдсмит из Лаборатории реактивного движения NASA. Голдсмит был ученым проекта «Hershel», в котором впервые подтвердилось обнаружение молекулярного кислорода в космосе в 2011 году.
